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实验和计算的结合允许检查硼的复杂舞蹈

在一项将超级计算机实现的实验工作和理论计算相结合的研究中,科学家已经确定了两种硼同位素的核几何结构。结果可以帮助开辟一条精确计算科学家可以通过实验验证的其他细胞核结构的途径。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的研究人员与德国和波兰的科学家合作,确定了硼-10和硼-11之间核电荷半径的差异。核电荷半径表示原子核的大小 - 通常具有相对模糊的边缘。

“这是最复杂的原子核之一,可以通过实验得出这些精确的测量结果并从理论上推导出来。” - 阿贡核物理学家彼得·穆勒

对于远大于硼的原子,核电荷半径难以高精度计算,因为中子和质子的数量非常多,其性质和相互作用必须来源于量子力学。

核理论建立在量子色动力学(QCD)之上,这是一套适用于构成核内质子和中子的夸克和胶子的物理规则。但是由于其复杂性,尝试单独使用QCD解决核动力学几乎是不可能的任务,研究人员必须至少依赖一些简化的假设。

因为硼相对较轻 - 只有五个质子和少量中子 - 团队能够成功地模拟Mira超级计算机上的两个硼同位素,并使用激光光谱学进行实验研究。Mira是美国能源部科学用户设施办公室Argonne Leadership Computing Facility(ALCF)的一部分。

“这是最复杂的原子核之一,可以通过实验得出这些精确的测量结果并从理论上推导出来,”负责研究的阿贡核物理学家彼得·穆勒说。

观察硼-11(11 B)和硼-10(10 B)的核配置如何不同,需要在非常小的长度范围内进行测定:小于一个飞度计 - 一千万亿分之一米。在一个违反直觉的发现中,研究人员确定硼-11中的11个核子实际上占据的体积小于硼-10中的10个核子。

为了实验性地观察硼同位素,达姆施塔特大学的科学家对同位素样品进行了激光光谱分析,这些样品在不同频率发出荧光。虽然荧光模式的大部分差异是由同位素之间的质量差异引起的,但测量中有一个组成部分反映了核的大小,Argonne物理学家Robert Wiringa解释说。

为了分离这些组件,来自华沙大学和波兹南亚当密茨凯维奇大学的合作者进行了最先进的原子理论计算,精确描述了硼原子核周围五个电子的复杂舞蹈。

“早期的电子散射实验无法确定哪个更大,”Wiringa说。“通过使用这种激光光谱技术,我们能够看到某些如何多余的中子结合硼11更加紧密。”

实验和理论之间对核的尺寸的良好一致性允许研究人员以更高的置信度确定同位素的其他性质,例如其β衰变率。“来执行计算和做实验的能力去手牵手来验证和加强我们的调查结果,”穆勒说。

研究的下一阶段可能涉及硼-8的研究,硼-8不稳定,在衰变之前仅具有约一秒的半衰期。Mueller表示,由于核中的中子数较少,因此与稳定的邻居相比,它的束缚程度要小得多,并且被认为具有延长的电荷半径。“有一个预测,但只有实验将告诉我们如何以及它实际上这个模式松散结合的系统,”他解释说。

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